一種定日鏡的支撐調整結構設計

牛文達，楊 帆，魏秀東

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130000）

一種定日鏡的支撐調整結構設計

牛文達，楊 帆，魏秀東

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130000）

針對現有定日鏡支撐技術的缺陷，設計了一種簡單可靠、便于裝調的定日鏡支撐調整結構。通過對關鍵部件的有限元分析，驗證了該結構設計的可靠性，為定日鏡的支撐結構設計提供依據。

定日鏡；支撐結構

0 引言

定日鏡是太陽能塔式熱發電系統中的重要聚光元件，可以利用定日鏡跟蹤太陽并將太陽輻射會聚在吸熱裝置上，從而獲得高溫熱能[1]。定日鏡主要由反射鏡、支撐結構、跟蹤傳動結構及其控制系統等組成。其中，支撐結構的設計不僅關系到定日鏡的聚光效率，同時也決定其強度和壽命。目前定日鏡支撐結構多采用若干球頭螺桿配合粘接反射鏡的吸盤推拉平面反射鏡進而獲得需要的曲面鏡，通過螺栓安裝在支撐裝置的主體上[2]。這種方式原理簡單，但是實際過程中，平面反射鏡經過推拉變形后，面形發生不均勻形變，輕者造成聚光效率的降低，重者則造成反射鏡的碎裂，大大提高了整體的成本。針對這一缺陷，從理論上采用弧形反射鏡單元支撐載體可以解決這個技術難題[3]，但是實際從加工成本和裝調的角度上，反射面支撐單元需要和反射面具有相同的曲率，支撐裝置主體也需要相應的曲率，不僅對加工要求很高，在裝調和檢測的過程中也會遇到很大的麻煩。基于上述原因，本文提出了一種定日鏡的支撐結構的設計，能夠解決所述的問題，便于加工、安裝和調試，保證聚光效率。

1 定日鏡支撐結構設計

如圖1所示，該定日鏡包括25個子鏡單元，每個子鏡單元由一個小桁架和四個子鏡單元及每個小鏡片對應一個球頭調整裝置組成，通過球頭調整裝置調節每個小鏡片的角度使子鏡單元拼接成需要的面形。小桁架固定于大桁架上，大桁架上配備有若干矢高基準塊，可以調整子鏡單元拼接而成的面形，減速器通過法蘭連接固定于大桁架上，25個子鏡單元固定于底部立柱和彎頭上。

1.1 球頭調整裝置設計

如圖2所示，1為反射鏡吸盤與反射鏡膠接，2為上側調整螺母，與反射鏡吸盤螺紋連接，3為下側調整螺母通過螺栓與上側調整螺母連接，4為球頭螺桿。其中，球頭螺桿固定于小桁架上，可以對其進行高度調節，其球頭部分與上側調整螺母和下側調整螺母的錐面配合，錐角根據需要調整的角度而定。通過四個調整螺栓可以對與反射鏡吸盤膠接的反射鏡進行角度調整。

圖1 定日鏡整體結構Fig.1 The whole structure of heliostat

圖2 球頭調整裝置Fig.2 The ball head adjusting device

1.2 小桁架設計

小桁架由空心方鋼焊接而成，四周焊接有一定厚度的鋼板，對應每個小鏡片的球頭調整裝置處對應開有通孔，利用螺母調整反射鏡的角度和高度。中心對應大桁架上矢高基準塊的位置對應開有通孔，可以在大桁架上整體調整一個反射單元的高度和角度。整體空心方鋼焊接的設計，大大縮小了加工成本。

1.3 大桁架設計

大桁架總體采用焊接結構，其橫向桁架上焊接有不同高度的矢高基準塊，每個矢高基準塊高度由整體拼接反射鏡的面形而定，縱向桁架通過腹桿焊接在連接傳動機構的法蘭上，同時通過四個空間斜腹桿焊接與縱向桁架焊接，兩個橫向肋桿與法蘭焊接，大大提高了整體大桁架的支撐強度和剛度。由于整體采用標準空心方鋼焊接，大大減小加工成本。

圖3 大桁架Fig.3 The bigger truss

1.4 彎頭和底部立柱設計

傳統定日鏡采用雙軸跟蹤設計，跟蹤裝置機構復雜，成本極高。本文所述的定日鏡采用的是目標定位跟蹤方式，即第一軸指向目標，第二軸與第一軸正交且位于鏡面內。為使第一軸指向目標吸收塔，設計一個彎頭，由兩個空心鋼管焊接而成，兩個空心鋼管成一定的夾角，夾角由目標吸收塔的高度和距離而定，彎頭的兩側焊接兩個鋼板分別與傳動機構和底部支柱螺栓連接。為保證彎頭的強度，在彎角處均勻焊接四個加強肋板，保證強度可靠的同時，保證其剛度和精度。底部支柱由標準的空心鋼管兩側分別焊接鋼板，一側與彎頭螺栓連接，另一側與地基采用膨脹螺栓連接。

2 等效風載靜力學分析

2.1 風載荷計算

風荷載的計算公式為：

w=μsμzβzω0

式中：μs—風載體型系數；μz—風壓高度變化系數；βz—Z高度處的風振系數（風振系數把風成份中的脈動風引起的風振效應轉換成等效靜力荷載所乘的系數）；ω0—基本風壓，可根據地區查表（全國各城市的雪壓和風壓值）得到。依據參考文獻[4]可定為1.67；μz對B類地貌，當高度h≤12m時，取1.0，由于鏡面板高度小于10m，所以取為1.0；文獻[5]中計算了相應的風振系數，最大為3.0， 計算中取βz=3.0；查表可得長春地區基本風壓為0.45kN/m2。所以定日鏡的風荷載取為：

w=1.67×1×3×0.45=2.2545kN/m2=2254.5Pa

2.2 關鍵零部件的有限元分析

把脈動的風壓等效成靜態風壓加載到小鏡片和桁架中，進行靜力學有限元分析，得到如圖4、圖5所示的結果，從圖中可以看出，小鏡片和大桁架變形很小，故支撐結構穩定牢固，設計合理。

圖4 鏡片變形分析Fig.4 Deformation analysis of reflector

3 結論

為了克服推拉平面鏡變形而獲得所需要面形的設計缺陷以及加工成本高、裝調難度大的實際問題，本文設計了一種簡單可靠、便于裝調的定日鏡支撐調整結構，經過理論計算，把脈動風載等效成靜態風載，利用ANSYS對關鍵零部件進行靜力學有限元分析，結果表明，關鍵部件變形很小，證明了本文設計的支撐調整結構可靠合理，為定日鏡的支撐結構設計提供依據。

圖5 桁架變形分析Fig.5 Deformation analysis of high truss

[1]魏秀東，盧振武，林梓，等.太陽能塔式電站輪胎面定日鏡的設計及性能分析[J].光子學報，2008，11.

[2]王志峰，臧春城，劉曉冰，等.一種定日鏡支撐裝置[P].中國：CN101187724A,2010，06，02.

[3]倪偉躍，李勝濤，李艷廈，等.一種定日鏡的反射鏡用支撐調形裝置[P].中國：CN201600486A.

[4]宮博，李正農，王鶯歌，等．太陽能定日鏡結構風載體型系數風洞試驗研究[J]．湖南大學學報，2008，9．

[5]王鶯歌，李正農，宮博，等．定日鏡結構風振響應的時域分析[J]．振動工程學報，2008，5．

Design on the Supporting and Adjusting Structure of Heliostat

NIU Wen-Da，YANG Fan，WEI Xiu-Dong
（Changchun Institute of Optics,Fine mechanics and Physics,Chinese Academy of Science,Changchun Jilin 130000,China）

In view of the defect on the supporting structure of heliostat,we design a heliostat supporting and adjusting structure that is simple and reliable,moreover,easy to assemble and test.By finite element analysis on some key unit,we prove that the structure is pretty reliable,so this article provides technological support for design of heliostat supporting and adjusting structure.

heliostat；supporting structure

TH7

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.001

1002－6673（2014）03－001－02

2014－04－08

項目來源：國家973計劃 （2010CB227101）；國家863計劃（2012AA050602）

牛文達（1983-），男，吉林長春人，碩士生，助理研究員。從事太陽能跟蹤設備研制。已發表論文六篇；楊帆（1984-），男，吉林長春人，碩士生，助理研究員。從事太陽能跟蹤設備與光柵尺研制。已發表論文四篇。